基于STM32 單片機的智能家居控制系統設計

楊恒敏

(江蘇聯合職業技術學院揚州分院，江蘇 揚州 225003)

1 概述

當今社會科學技術發展的速度日新月異，隨之通信技術也不斷得到發展，5G通信技術已經到來，物聯網技術也更加成熟，在物聯網時代，人們希望每一個物件入網并可以實時監控，實現智能化，而智能家居正是受到信息化影響的一種物聯網技術的應用,智能家居就是通過物聯網技術，將日光燈、電風扇、空調和窗簾等各種設備通過網絡連接到一起，實現照明控制、風扇控制、空調控制、窗簾控制等多種智能功能[1]，這些功能使智能家居技術在生活中應用更加廣泛，并向不同領域滲透和延伸，人們期望在物聯網技術的推動之下，生活能夠更加節能、環保和高效，因此智能家居走進人們的生活，并給人們的生活帶來了很大改變，智能生活方式也將成為今后人們居家生活的主流方向。

2 系統整體設計方案

本系統主要由單片機核心處理器、語音識別電路、環境信息感知電路、藍牙通信電路、液晶顯示電路和電氣設備控制電路等組成，主要功能是利用語音識別系統和手機APP 進行控制，實現有人闖入自動警報、照明控制、溫度和濕度控制、空氣質量檢測、家用電器控制和自動窗簾等的控制。主控是STM32F103RCT6 單片機，連接到每一個傳感器，當系統采集到聲音信號時，經過電路處理后送入LD3320 語音識別模塊，處理結果通過并行端口傳送給單片機，單片機接收到LD3320 語音識別模塊的處理結果后，進行分析，發出相應的控制指令，控制各電氣設備，實現電氣設備的啟動或停止[2]，另外也可以利用環境信息感知模塊(溫濕度傳感器、煙霧傳感器和人體光學傳感器)實時監測室內環境，發出相關指令，控制燈光、插座、風扇和窗簾的打開或者關閉，當環境參數超過預定值或者在安防模式下有人闖入時，播放語音報警信息，為了方便用戶了解狀態，還還可以通過液晶顯示屏實時展示各個電路模塊的具體工作狀態，系統整體框圖如圖1。

圖1 系統結構框圖

3 系統硬件設計

3.1 單片機控制模塊。本系統采用STM32F103RCT6 單片機控制外部電路和設備，STM32F103RCT6 型單片機是嵌入式的微型控制器的集成電路(Integrated Circuit)，擁有32 位的Cortex-M3 內核處理器，CPU 的最高速度可以達到72 兆赫茲，程序存儲器的容量為256 千字節，程序存儲器類型是FLASH(閃存)，隨機存取存儲器的容量是48K，采用LQFP64 封裝形式，因此封裝體積小，高速低功耗，相比8 位而言單片機性能更優，是本電路中控制系統的核心，負責各個傳感器之間通訊及解碼。

單片機最小系統是由單片機芯片外加時鐘電路、復位電路、電源和地構成的，它是單片機工作的最小的組成部分，也是單片機工作的必要條件。其中，電源電路的作用是提供合適的供電電壓，保證單片機能夠正常工作，時鐘電路可通過外接晶振和電容等來產生一定頻率的時鐘脈沖信號，從而為芯片工作提供穩定的頻率，而復位電路的作用是恢復單片機內存儲的數據，當單片機遇到異常不能正常工作時，可以把單片機的特殊功能寄存器的數據恢復到默認的數據，使程序能夠重新開始運行。

3.2 語音識別模塊。語音識別模塊主要包括語音芯片LD3320 及其相關電路，語音芯片LD3320 是一種非特定人的芯片，主要作用是采集環境中的語音信號，而且也能夠識別特定語音信號，通過口令觸發方式和垃圾詞語吸收模式，可以提前設定好要識別的關鍵詞語，為了降低誤識別率，進一步提高語音識別的準確程度，可以添加一些其他的詞語到識別列表中，用來吸收錯誤的識別，此外，LD3320 工作時不需要預先進行訓練或者錄音，語音識別的準確率可以高達百分之九十五以上，是一款使用非常廣泛的語音識別類芯片。設計中采用的是串口通信方式，芯片直接與STM32F103RCT6 的RXD信號相連接[3]，麥克風采集到語音信號，當LD3320 模塊識別出語音信號時，將識別到的語音信號與識別列表中的關鍵詞匯進行比較，找到最佳匹配的詞語，芯片LD3320 便會發出一個中斷信號，然后將這個信號通過電路傳送給STM32 單片機進行相應的處理，語音識別流程如圖2 所示。

圖2 語音識別流程

3.3 環境信息感知模塊。環境信息感知模塊主要由DHT11溫濕度傳感器、MQ135 煙霧傳感器和HC-SR501 人體光學傳感器模塊及其相應的電路組成。

DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準信號輸出的數字溫濕度傳感器，它用的是數字模塊采集技術，體積小巧、功耗很低，抗干擾能力較強。溫濕度傳感器DHT11 一共有4 個引腳，連接到單片機的方式也比較簡單，1 號引腳接電源，2 號引腳接數據輸出端，3 號為懸空腳，無需任何處理，4 號引腳接地，接到STM32 單片機的其中一個引腳上，在實際使用時，1 號引腳和4號引腳之間可以增加一個電容以去耦濾波。

MQ135 煙霧傳感器能夠檢測出空氣中多中常見的有害類氣體，是一款適合家庭使用的空氣污染報警器，它對苯系蒸汽、氨氣和硫化物等的反應靈敏度高，對其他一些有害的氣體和煙霧的檢測效果也相當好，所使用的的氣敏材料是在清潔空氣中電導率很低的二氧化錫(SnO2)，當煙霧傳感器檢測周圍的空氣中存在污染氣體時，傳感器中的電導率會發生改變，隨著環境中污染氣體的濃度增加，電導率會隨之增大，只要通過簡易的電路，就可以把電導率的變化轉換為所檢測氣體濃度對應的輸出信號，實時監測室內的空氣質量以及家庭的環境安全。

HC-SR501 人體光學傳感器模塊的工作電壓在4.8V 到20V 之間，與整個電路的工作電壓相符，人體的體溫在36℃到37℃左右，人體所發出的紅外線波長大約在10 微米左右，在電路的安防模式之下，一旦有陌生人闖入家庭領域時，人體產生的紅外線被透鏡增強之后，聚集到傳感器的紅外線感應源上，打亂了感應元件中熱釋電元件的電荷平衡，釋放出帶電的正負粒子，在電路處理之后發出報警信號[4]，本電路中是在安防模式下，有陌生人闖入時，防盜報警指示燈閃爍，蜂鳴器也發出聲響，向用戶發出警示。

3.4 藍牙通信模塊。藍牙通信模塊使用HC-05, HC-O5 是一款高性能的藍牙串口模塊，它采用主流的CSR 公司藍牙芯片，協議標準是藍牙V2.0，體積小巧，成本低，可以通過兩種模式即命令響應工作模式和自動連接模式進行數據傳輸，主要適用于短距離的無線數據傳輸，可以非常方便地和上位機(如手機、電腦等)的藍牙設備相連接，也可以使用兩個藍牙模塊進行相互數據通信，避免了復雜的電路連接，可以直接代替串口連接線。并且該模塊支持的波特率范圍非常寬，可以從4800 到1382400 Bd，還兼容5V 和3.3V 單片機系統，硬件的開發非常容易，配對成功建立藍牙連接后，使用方式和普通串口一致，可以直接連單片機，不需要分析內部是如何驅動，適用于GPS 導航，工業控制等，在本系統中主要用于使系統連接到上位機APP 端，需要注意的是藍牙的串口優先級要先設置好，否則會出現信息錯誤。[5]

3.5 手機端APP 開發。App Inventor 編程軟件是谷歌公司開發的，使用簡單，是一款在線并且開放的手機APP 編程工具，沒有專業學習過的也可以完成手機App 開發，其中內置了藍牙服務器等本次軟件開發所必需的組件，相較于Android Studio等手機開發工具，使用APP Inventor 不需要配置復雜的系統環境，并且更易于上手，操作簡單，簡單的應用使用本軟件足夠可以完成，與智能家居設計中軟件部分開發的要求相吻合。[6]通過藍牙控制單片機，從而去控制家用電器等。

3.6 液晶顯示模塊。顯示部分選用OLED (Organic Light Emitting Diode)，OLED 即有機發光半導體二極管, 又稱為有機電激光顯示二極管，是由特殊的有機材料制成的，構造及制作較簡單，支持眾多芯片，無需背光，顯示單元具有自發光的特性，通電就能亮，屬于電流型有機發光器件，OLED 顯示屏采用非常薄的有極涂料和玻璃基板，厚度比LCD 小很多，這樣更薄的屏幕騰出的空間就可以放入更多的元器件，而且可視角度大，同樣適用于可彎曲性面板。LCD屏容易出現拖影現象，影響視覺觀感，而OLED拖影極小，OLED對比度也比LCD顯示好，相比LCD 有更多的優勢，結合嵌有對比度控制OLED 顯示屏驅動芯片SH1101A、高效的DC-DC 轉換器和顯示存儲振蕩器，有效的減少了元件的消耗和數量。[7]0.96 寸7 針SPI 通信的OLED顯示屏模塊各接口名稱和管腳說明如表1 所示。

表1 OLED 顯示模塊各接口定義和管腳說明

3.7 電氣設備控制模塊。電氣設備控制模塊主要由燈、風扇、插座等家用電器和門、窗簾等終端部分組成。在智能家居系統控制時，燈由發光二極管來模擬，窗簾用直流電機來模擬實現，空調則有由風扇來代替，門由舵機sg90 模擬，插座由繼電器模擬，安防系統由人體光學傳感器模擬實現，煙霧報警由MQ-135 和蜂鳴器實現。電路硬件部分的連接關系如圖3 所示。

圖3 硬件連接關系圖

4 系統軟件設計

4.1 軟件總體設計。本設計的軟件部分采用C語言編程，利用Keil μVision5 作為編程環境。系統主程序主要包括初始化服務程序、中斷服務程序和各個功能模塊子程序等。首先定義好硬件電路的端口，然后進行延時函數設計，設置好中斷的優先級級別，液晶顯示OLED部分初始化、溫濕度傳感器初始化、串口初始化等各個模塊的初始化函數，然后定義控制函數，控制函數的作用是設置各個家電控制部分的工作狀態，通過簡單的邏輯控制，可以實現對家用電器設備等的控制功能，main 主程序部分主要如下：

4.2 液晶顯示子程序設計。OLED 液晶顯示屏驅動軟件程序設計基于STM32F103RCT6 型號單片機，采用常見的C 語言編寫，主要完成配置STM32 單片機管腳實現SPI 通信，將所需顯示信息傳輸到OLED顯示屏驅動芯片SH1101A，驅動OLED顯示屏芯片SH1101A完成片選和復位等功能，進而實現顯示和清屏等操作。

4.3 語音模塊子程序設計。語音模塊首先要設定好關鍵詞語，如“開門”、“關門”、“打開插座”和“打開窗簾”等，以便控制相應的智能家居設備開始工作。在程序流程編寫上，通過程序預先設置相應語音代碼指令，并對應智能家居設備此時的工作狀態。本設計中語音識別分為兩類，第一級用來喚醒智能家居系統，第二級用來控制家用電器以及設備等，同時將對應的信息通過串口發送到STM32。

例如在語音模塊端編寫C語言程序進行如下設置：

對照表2 中的指令順序，串口發送信息5 是開燈，串口發送信息6 是關燈，則對應執行開燈和關燈的操作，其他設備也以此類推，便可以實現相應的功能。

表2 語音指令表

5 結論

本設計利用STM32 單片機、各種傳感器模塊和語音識別模塊等實現了智能家居控制系統，該系統能夠識別用戶發出的語音指令，并能根據語音識別結果，控制家庭電路中電風扇、插座、日光燈、門和窗簾等設備的打開或關閉；在安防模式已經開啟并且有人闖入的情況下發出預警信號，并通過環境中的煙霧濃度和溫濕度參數實時監測，及時發現污染氣體，監測室內的空氣質量，提高了人們家居生活的品質，使得人們輕松實現便捷又安全的現代智能家居生活。經過對該系統的實驗測試，需要注意的是因為功率器件較多，應使用開關電源，而不要使用降壓電源模塊，測試結果表明，該系統電路結構簡單，工作性能穩定，語音識別率高，能夠完成環境參數的監測和居家電氣設備控制的功能。